基于質(zhì)子治療的束流信息管理設(shè)計(jì)

邱全兵

摘要：目前國內(nèi)質(zhì)子中心建設(shè)在如火如荼的進(jìn)行，在建設(shè)方案上大多都采用多治療間方案。該方案的特點(diǎn)是多治療間共享加速器系統(tǒng)以降低每個治療間的成本，所以在系統(tǒng)中需要配置一個束流管理服務(wù)集中負(fù)責(zé)束流的調(diào)度、準(zhǔn)備、使用、釋放等管理和控制功能。本論文結(jié)合質(zhì)子放射治療的過程給出一種束流管理的接口和狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方案，并基于Thrift給出束流管理接口的定義。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子治療；束流管理；Thrift；束流管理服務(wù)；治療控制服務(wù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0154-03

1 引言

質(zhì)子治療技術(shù)[1]近年來它已成為醫(yī)學(xué)界研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，同時質(zhì)子治療系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)也成為國內(nèi)投資的熱點(diǎn)。根據(jù)PTCOG統(tǒng)計(jì)的2017年中國在建質(zhì)子中心及其使用方案[2]可以看出，中國質(zhì)子中心的建設(shè)方案均采用多治療室方案。該方案的特點(diǎn)是多個治療間共用一套加速器及束流輸運(yùn)系統(tǒng)，病人治療過程中的質(zhì)子束流需要由束流管理服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、生產(chǎn)和操作。本文結(jié)合作者在廣東恒聚質(zhì)子中心集成項(xiàng)目中的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)給出一種束流管理的設(shè)計(jì)。

2 束流管理設(shè)計(jì)

2.1 束流管理模型

質(zhì)子治療系統(tǒng)中的束流管理模型通常如圖 1所示。系統(tǒng)中每個治療間由獨(dú)立的治療管理系統(tǒng)來負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、同步治療過程中需要參與的各個系統(tǒng)模塊共同完成治療功能。其中治療控制服務(wù)模塊負(fù)責(zé)向束流管理服務(wù)發(fā)起各項(xiàng)束流操作，一旦束流就緒便控制治療頭進(jìn)行病人的治療。束流管理服務(wù)負(fù)責(zé)束流的調(diào)度并控制加速器系統(tǒng)完成束流的各項(xiàng)操作。為滿足點(diǎn)掃描治療過程中點(diǎn)與點(diǎn)間的移動和不同位置的劑量實(shí)時控制要求，治療頭與加速器系統(tǒng)之間使用特殊的硬件接口。本文中的束流管理限于治療控制服務(wù)與束流管理服務(wù)之間的軟件接口設(shè)計(jì)。

2.2 束流管理的工作過程

病人進(jìn)行質(zhì)子放射治療的過程中，束流管理的工作過程如圖 2所示分為六個主要的活動：束流申請、束流準(zhǔn)備、束流位置調(diào)整、打開束流、關(guān)閉束流、束流釋放。

治療控制服務(wù)首先向束流管理服務(wù)提出束流申請，束流管理服務(wù)根據(jù)當(dāng)前的使用情況，選擇兩種處理方式：系統(tǒng)空閑時立即接受束流申請，忙時將束流申請放入等待隊(duì)列中。束流申請成功后，治療控制服務(wù)根據(jù)當(dāng)前病人治療的要求發(fā)送治療所需的束流參數(shù)給束流管理服務(wù)進(jìn)行束流準(zhǔn)備，束流管理服務(wù)控制加速器系統(tǒng)生產(chǎn)滿足參數(shù)要求的束流。當(dāng)束流準(zhǔn)備就緒并且病人擺位確認(rèn)后，就可以打開束流進(jìn)行病人的治療。在治療過程中，由治療頭通過實(shí)時硬件接口控制束流流強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)掃描時點(diǎn)與點(diǎn)間的移動（移動到目標(biāo)點(diǎn)過程中快速關(guān)閉和打開束流）和不同點(diǎn)的劑量要求。當(dāng)完成一層的掃描治療后關(guān)閉束流。質(zhì)子治療過程通常需要進(jìn)行多層掃描，掃描層與層之間的切換需要進(jìn)行束流能量的切換，束流需要重新準(zhǔn)備，不同層的治療處理過程循環(huán)圖 2虛框中的過程。最后，完成病人所有治療野的治療后，釋放束流以供其它房間使用。

2.3 束流管理狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

束流管理是以會話機(jī)制進(jìn)行管理的。治療控制服務(wù)與束流管理服務(wù)之間需要創(chuàng)建一個束流管理會話，治療間內(nèi)所有的束流操作在該會話中進(jìn)行，并按圖 3所示的狀態(tài)機(jī)運(yùn)行。治療控制服務(wù)與束流管理服務(wù)維持獨(dú)立的束流狀態(tài)機(jī)，并保持狀態(tài)同步。

治療控制服務(wù)向束流管理服務(wù)請求開啟束流會話，一旦會話創(chuàng)建成功則狀態(tài)進(jìn)入空閑狀態(tài)。空閑狀態(tài)下，可接受醫(yī)務(wù)人員的指令發(fā)起束流申請，會話進(jìn)入束流申請中狀態(tài)。束流申請中狀態(tài)會一直保持直到束流分配成功、申請被拒絕或取消束流申請。束流分配成功后，會話進(jìn)入束流已分配狀態(tài)，該狀態(tài)下的會話獲得束流的使用權(quán)。然后它可以將需要的束流參數(shù)發(fā)送給束流管理服務(wù)以控制加速器系統(tǒng)準(zhǔn)備生產(chǎn)相應(yīng)規(guī)格的束流，同時會話狀態(tài)進(jìn)入束流準(zhǔn)備中狀態(tài)。束流管理服務(wù)控制加速器系統(tǒng)完成所有的準(zhǔn)備工作并通知束流準(zhǔn)備完成后，會話進(jìn)入束流就緒狀態(tài)。如果準(zhǔn)備工作過程失敗，會話狀態(tài)返回束流已分配狀態(tài)，束流分配繼續(xù)保持，可重試束流準(zhǔn)備操作或者釋放束流。束流就緒后并且醫(yī)務(wù)人員完成病人的擺位、驗(yàn)證等步驟后就可以啟動治療，治療控制服務(wù)就發(fā)起打開束流操作使質(zhì)子束流進(jìn)入治療頭，由治療頭進(jìn)行病人的治療，會話的狀態(tài)進(jìn)入束流出束中狀態(tài)。當(dāng)治療頭完成治療便通知治療控制服務(wù)發(fā)起關(guān)閉束流操作。當(dāng)病人的所有治療過程結(jié)束，治療控制服務(wù)發(fā)起釋放束流操作會話進(jìn)入空閑狀態(tài)。 當(dāng)束流管理交互過程中出現(xiàn)各類錯誤、狀態(tài)不同步等，可通過復(fù)位操作重啟狀態(tài)機(jī)流程。

2.3.1 束流會話的保活機(jī)制

束流質(zhì)子在多治療間系統(tǒng)中屬于共享資源，應(yīng)該避免由于某一個治療間的軟件或網(wǎng)絡(luò)等問題而影響到其它治療間的使用。所以在治療控制服務(wù)和束流管理服務(wù)之間需提供會話保活檢測機(jī)制。治療控制服務(wù)需定期向束流管理服務(wù)發(fā)送保活消息，如果束流管理服務(wù)連續(xù)三個檢測周期內(nèi)未收到保活消息，則認(rèn)為束流會話失效，于是釋放該會話所占用的資源并關(guān)閉會話。治療控制服務(wù)發(fā)出的保活消息未得到束流管理服務(wù)響應(yīng)時認(rèn)為通信異常，治療控制服務(wù)啟動異常處理機(jī)制：它定時向束流管理服務(wù)發(fā)送會話狀態(tài)查詢消息，獲取服務(wù)器中當(dāng)前會話的狀態(tài)，并按以下情況分別處理：（1）束流管理服務(wù)能返回會話的狀態(tài)且與治療控制服務(wù)的維持的狀態(tài)一致，則當(dāng)前會話依然有效。若兩邊狀態(tài)不一致，則發(fā)起復(fù)位會話操作或者關(guān)閉并重開會話。（2）束流管理服務(wù)返回會話不存在則重開會話。（3）在保活超時的時間內(nèi)，未收到束流管理服務(wù)的任何響應(yīng)則重開會話。

2.3.2 束流調(diào)度信息同步

醫(yī)務(wù)人員在操作終端申請束流時，束流可能正在被其它的房間占用，為了避免盲目的等待，束流管理服務(wù)需要提供實(shí)時的束流調(diào)度信息以決定繼續(xù)等待或取消申請。調(diào)度信息應(yīng)該包括：束流是否已被分配、已分配的束流申請信息、等待分配的束流申請列表。束流申請信息包括：治療間標(biāo)識、束流使用時間和優(yōu)先級。當(dāng)束流管理會話的狀態(tài)處于束流申請中時，束流管理服務(wù)定時向該會話發(fā)送束流調(diào)度信息直到其被分配成功或束流申請被取消。

2.4 束流管理接口設(shè)計(jì)

治療控制服務(wù)和束流管理服務(wù)的接口統(tǒng)一通過Thrift代碼生成引擎生成目標(biāo)代碼，具有簡單易用、開發(fā)效率高、傳輸效率高等特點(diǎn)。特別是在治療控制系統(tǒng)和加速器控制系統(tǒng)由不同的廠家提供時，可大大提高系統(tǒng)集成效率。治療控制服務(wù)和束流管理服務(wù)建立雙向連接，互為對方的客戶端和服務(wù)端。治療控制服務(wù)將“命令”消息同步發(fā)送給束流管理服務(wù)，束流管理服務(wù)將執(zhí)行的結(jié)果異步返回。根據(jù)束流管理會話狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，束流管理服務(wù)端的接口定義如下：

service BmsService {

string open（1： string id，2： string ip， 3： i16 port）， //打開會話

RequestStatus close（1： string sid），//關(guān)閉會話

RequestStatus request（1：string sid，

2：string priority），//束流申請

RequestStatus release（1：string sid），//釋放束流

RequestStatus prepare（1：string sid，

2：BeamSettings setting），//束流準(zhǔn)備

RequestStatus enable（1：string sid），//打開束流

RequestStatus disable（1：string sid）， //關(guān)閉束流

RequestStatus reset（1：string sid），//復(fù)位會話

RequestStatus ping（1：string sid），//保活

RequestStatus correctPosition（1：string sid，

2：CorrectionVector vector）， //束流位置調(diào)整x，y

}

該接口由治療控制服務(wù)以RPC方式進(jìn)行調(diào)用。需要特別說明的是Open打開會話接口，其中id參數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)唯一，用于標(biāo)識治療間，一個治療間只能打開一個束流管理會話。其中ip和 port參數(shù)為治療控制服務(wù)的服務(wù)地址和端口，束流管理服務(wù)通過該接口返回結(jié)果。Open接口的返回結(jié)果中會帶一個唯一的會話標(biāo)識sid，該會話后續(xù)的所有調(diào)用都需要帶上該標(biāo)識，否則調(diào)用被拒絕。

治療控制服務(wù)端的接口定義如下：

service BmsClientService {

void idle（1： string id）， //空閑狀態(tài)

void allocated（1： string sid）， //已分配狀態(tài)

void enabled（1：string sid），//束流已打開狀態(tài)

void error（1：string sid）， //會話出錯

void prepareFailed（1：string sid， 2：string cause）， //束流準(zhǔn)備失敗狀態(tài)

void prepared（1：string sid），//束流就緒狀態(tài)

void rejected（1：string sid），//束流申請被拒絕

void schedulerStatus（1：string sid，2：BeamSchedulerInfo schInfo）， //束流調(diào)度狀態(tài)

}

該接口由束流管理服務(wù)端調(diào)用，用來通知治療控制服務(wù)操作的結(jié)果和狀態(tài)包括束流被分配、拒絕、就緒、已打開、已關(guān)閉、出錯等。

3 結(jié)語

本文介紹了在多治療間的質(zhì)子治療系統(tǒng)中束流管理的相關(guān)知識包括束流管理模型、束流管理過程，并給出了束流管理的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)以及狀態(tài)處理過程中保活和調(diào)度同步機(jī)制設(shè)計(jì)。最后基于Thrift給出束流管理的接口的定義。隨著質(zhì)子行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的人投入到質(zhì)子裝置產(chǎn)業(yè)化、國產(chǎn)化的研發(fā)工作中，希望本文能給相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)人員提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]Vincent Collignon.BSS External Interface Specification [M].IBA.2015.